دروس في التربية الطاقية

الكميات الطاقية ووحدات قياسها
 

الأهداف : مساعدة التلاميذ لكي يصبحوا قادرين على :

-  فهم وتقدير الكمية الطاقية التي تحتوي عليها المحروقات الأحفورية،

-  استعمال مختلف وحدات قياس الكمية الطاقية،

-  تحويل الوحدات إلى وحدات أخرى لتسهيل المقارنة الطاقية.

الميادين المعنية :  النشاط العلمي

المستوى : السابعة أو الثامنة

لمدة المخصصة للدرس:  حصة ثلاث ساعات

الكفاءات والمعارف المطلوبة :

-  معرفة مسبقة للقيام بتسخين الماء بغاز البوتان،

-  معرفة استعمال الجداول ووحدات القياس والقيام بعمليات التحويل،

-  مقدرة على قراءة المحرار واستعماله.

المصطلحات : الفحم، الصخور النفطية، البترول،  البنزين، الديزل،، برميل النفط الخام، الكالوري، الكيلو كلوري، الواط، الكيلو واط،، تحويل إلى الكيلو واط ساعة، الحرارة الكامنة.

المصدر :

المصادر الأساسية للطاقة في القرن الماضي كانت هي المصادر الأحفورية : الفحم الحجري، البترول والغاز الطبيعي. ولازالت نفس هذه المصادر تُستعمل بشكل واسع إلى يومنا هذا. وللوصول إلى مرحلة الاستعمال، وجب علينا أولا التنقيب عليها والتأكد من إمكانية استخراجها تقنيا واقتصاديا، ثم تحويلها إلى أشكال طاقية قابلة للاستعمال كالطاقة الكهربائية أو الطاقة الحرارية.

توجد المحروقات الأحفورية في أشكال مختلفة، فهي إما صلبة أو سائلة أو غازية، وتحتوي على كميات طاقية يمكن قياسها بوحدات قياس مختلفة.

تعتبر الكثافة الطاقية مؤشر يستعمل لاختيار المحروق المناسب للاستعمال المناسب. في هذا الدرس سنحاول تقييم الكثافة الطاقية لكل محروق، واختبار الوحدات المناسبة لقياس ذلك.

 طريقة العمل :

تحضير وتوزيع نسخ من الأشغال التطبيقية 1 ،2، 3،

إمكانية التوسيع في الدرس :

- استعمال المعلومات المحصل عليها من مكتبة المدرسة ومن الموسوعات والكتب والوثائق، القيام بمقارنة المزايا والمساوئ لاستعمال المحروقات : النفط أو الفحم أو الغاز الطبيعي، تأثيراتهم على البيئة.

-  ماهية المواد الكيماوية الموجودة في الغاز الطبيعي، في البوتان وفي البروبان، تحضير تقرير على هذا الموضوع.

-  قيام ببحث عن المعامل التي تقوم بتعبئة قنينات الغاز، أنواع القنينات، طريقة تعبئتها وكمية الغاز الذي تحتوي عليه، وما هي اللإحتياطات الواجب اتخذها لتجنب الحوادث.

-  دراسة طرق تحويل المحروقات، والقيام، إذا أمكن، بتجربة للحصول على غاز الميتان من الفحم الحجري.

-  باستعمال المعلومات الخاصة بكفاءة تقنيات وأساليب التحويل (راجع الدرس الخاص بالتحويل الطاقي) حدد الكمية الطاقية المحصل عليها عند كل عملية تحويل وباستعمال مختلف تقنيات التحويل

الأشغال التطبيقية 1

مقارنة المعطيات التالية ومناقشتها :

الطاقة التي تتوصل بها الأرض في السنة من الشمس   10²⁴  5،54 جول=10¹⁸ 1،53 كيلو واط ساعة                          

الطاقة التي تحتوي عليها قنبلة هيروشيما تقدر ب         10¹⁸ 40 جول =10¹³ 1،12 كيلو واط ساعة

الطاقة التي يحتوي عليها الإعصار تقدر ب                10¹²  84 جول =10⁷ 2،35  كيلو واط ساعة

الطاقة التي يحتوي عليها برميل بترول                       10⁹ 6 جول =10³ 1،68  كيلو واط ساعة

 

الكثافة الطاقية للمحروقات :

المحروقات الغازية

الغاز الطبيعي 10 إلى 12 كيلو واط ساعة بالمتر المكعب

البروبان26،7     كيلو واط ساعة بالمتر المكعب

البوتان  34،9 كيلو واط ساعة بالمتر المكعب

 

المحروقات الصلبة والسائلة

الفحم 7،2 كيلو واط ساعة بالدسمتر المكعب

الديزل 11،6 كيلو واط ساعة بالدسمتر المكعب

البنزين 12 كيلو واط ساعة بالدسمتر المكعب

 

الوحدات

1 طن معادل بترول = 11600 كيلو واط ساعة

1 برميل بترول =10³ 1،68   كيلو واط ساعة

1 جول = ^8-10 28 كيلو واط ساعة

1كلوري =^6-10 1،2  كيلو واط ساعة

 

وحدات قياس السعة :

1 متر مكعب =10³ لتر

1 برميل =159  لتر

1 طن بترول =7،33  برميل

الواط : وحدة صغيرة لقياس القدرة، وخاصة القدرة الكهربائية 746 واط تعادل ( حصان – بخار)

 الكيلو واط : وحدة لقياس القدرة ويستعمل غالباً لقياس القدرة الكهربائية أو تيار حراري. يعادل 1000 واط .

الكيلو واط ساعة : الكمية الطاقية التي تعادل استعمال قدرة كيلو واط واحد خلال ساعة، وتعادل كذلك 860 كيلو كالوري.

الأشغال التطبيقية 2

الكمية الطاقية والتحويل الطاقي للمحروقات الأحفورية

الجدول 1 : الكمية الطاقية التي تحتوي عليها المحروقات الأحفورية

الكمية الطاقية بالكيلو واط ساعة في الطن	المادة
	الفحم الحجري
	البنزين
	الغاز الطبيعي
	النفط
	الصخور النفطية

الجدول 2 : تحويل وحدات قياس الطاقة

الكيلو واط ساعة =860 كيلو كالوري

كيلو كالوري =0،0012 الكيلو واط ساعة

برميل النفط =1.410.579 كيلو كالوري

برميل النفط =1.640،8 كيلو واط ساعة

 

الأسئلة :

ما هو المحروق الذي يحتوي على أكبر كمية طاقية في الطن الواحد؟

ما هو المحروق الذي يحتوي على أصغر كمية طاقية في الطن الواحد؟

كم من كيلو واط ساعة من الكهرباء يعادل المحتوى الطاقي لطن واحد من الفحم الحجري؟

كم هو عدد البراميل من النفط التي تعادل طاقيا طن واحد من الفحم الحجري؟

كم هي الكمية الطاقية بالكيلو كالوري التي يحتوي عليها لتر من النفط؟

كم هي الكمية الطاقية بالكيلو كالوري التي يحتوي عليها لتر من البنزين؟

كم طن من الفحم يعادل 10.000 كيلو واط ساعة من الطاقة الكهربائية؟

كم طن من الغاز الطبيعي يعادل 10.000 كيلو واط ساعة من الطاقة الكهربائية؟

 

الأشغال التطبيقية 3

التعرف على الحرارة المحسوسة والحرارة الكامنة

تعليمات : اتبع  الخطوات المقترحة في هذه العملية للتعرف على الحرارة الكامنة. ويجب اتخاذ الحذر عند استعمال قنينة الغاز.

المواد : ساعة، محرار، سخان المختبر الذي يشتغل بغاز البوتان أو سخان كهربائي، ماء، ثلج، نظارات ضد الحوادث.

1 - ملأ وعاء زجاجي حجمه حوالي  600 مل لتر بكمية من الماء، ، بحيث يصل وزن الماء والوعاء الزجاجي معا ما يعادل 500 غرام.

2 - حرك الماء جيدا كما في الصورة، واقرأ حرارة الماء التي سجلها المحرار وسجلها في الجدول تحت : الحرارة في البداية (t₀  ).

3 - ضع الإناء الزجاجي فوق حارقة الغاز أو سخان كهربائي، يجب أن لا يبعد أكثر من 10 سنتمترات عن قمة لحارقة وتكون هذه الأخيرة في الوسط.

4 - يجب تحريك الماء أثناء التسخين، في نهاية الخمس دقائق قراءة حرارة الماء التي يشير إليها المحرار وتسجيلها في الجدول، التجربة الأولى  تحت : حرارة في النهاية (t₅).

 - 5ترك الإناء أكثر من ثلاث دقائق حتى يبرد قليلا، ثم أعد العملية  من 2- إلى 4-. درجة الحرارة في هذه التجربة الثانية ستكون نسبيا أعلى عن التجربة الأولى. في نهاية الخمس دقائق، قراءة حرارة الماء التي يشير إليها المحرار وتسجيلها في الجدول، التجربة الثانية  تحت : الحرارة في البداية (t₀) وفي النهاية (t).

- 6حساب الفرق في الحرارة بين (t₀)  و(t₅). في التجربتين، ومقارنتهما مع نتائج الآخرين لتأكد من حسن التجربة.

- 7ملأ الإناء بالماء والثلج بحيث يزن المجموع 500 غرام، حرك جيدا الماء والثلج، وقراءة الحرارة التي أشار إليها المحرار بعد أن استقر وتسجيلها في الجدول، التجربة الثالثة  تحت : الحرارة في البداية (t₀).

- 8اعتمادا على المعطيات التي حصلت عليها في التجربتين السابقتين، وعلى حرارة الخليط من ثلج وماء، كم سوف تكون الحرارة في نهاية التسخين لخمس دقائق؟  سجل نتيجتك النظرية في الجدول (T₅) نظريا، لتجربة الثالثة.

 - 9يجب تحريك الخليط من ماء وثلج  أثناء التسخين، في نهاية الخمس دقائق قراءة حرارة التي يشير إليها المحرار وتسجيلها في الجدول، التجربة الثالثة  تحت : الحرارة في البداية (t₀) وفي النهاية (t₅).

- 10حساب الفرق في الحرارة بين (t₀)  و(t₅). في التجربة الثالثة.

11 - تنظيف مكان التجربة والجواب على الأسئلة المطروحة.

الجدول

تجربة الثالثة : t0.. .. .. .. .. .. ºC الفرق النظري.. .. .. .. .. .. ºC T5 النظري.. .. .. .. .. .. ºC t5.. .. .. .. .. .. ºC الفرق.. .. .. .. .. .. ºC

التجربة الثانية : t0.. .. .. .. .. .. ºC t5.. .. .. .. .. .. ºC الفرق.. .. .. .. .. .. ºC

التجربة الأولى : t0.. .. .. .. .. .. . ºC t5.. .. .. .. .. .. ºC الفرق.. .. .. .. .. .. ºC

الأسئلة :

استعمال الأشغال التطبيقية 1 و2

في حالة ما هناك تناقض في التجربة الثالثة  بين الحرارة النظرية المنتظرة والتي حصلت عليها بالتجربة، لماذا هذا التناقض؟

يجب على التلاميذ أن يفهموا أن الكمية الطاقية  التي لم يقيسوها هي الكمية التي استعملت لإذابة الثلج، ويمكن تتبع هذه العملية، حين أن درجة حرارة الخليط لم تتغير إلا بعد أن ذاب كل الثلج. وبهذا يتم التعرف على الحرارة الكامنة  وهي الكمية الطاقية التي تحتاجها المادة لتتحول من حالة فيزيائية إلى حالة أخرى بدرجة حرارة ثابتة.

مناقشة الأسئلة التالية مع التلاميذ:

-  ما هو الشكل الطاقي الذي نحصل عليه في عملية احتراق غاز بوتان؟

- ما جدوى معرفة العلاقة بين مختلف القياسات الطاقية؟

- عندما نسخن خليط من الماء والثلج، ماذا يحدث في أول العملية، تحت تأثير الطاقة الحرارية؟